『地震はどこに起こるのか―地震研究の最前線』(ブルーバックス、1993年発行)・6章「海の地震を追って」の大幅な加筆と図と写真の追加

私たちの海底地震計。その開発の歴史と苦労・その4
(ノンフィクションとしては島村英紀『地球の腹と胸の内――地震研究の最前線と冒険譚』をご覧ください)

目次
1 :なぜ海底地震計が必要?
2:手作りの海底地震計
3:完全ではなかったポップアップ式海底地震計
4:バケツ形の海底地震計
5:ポップアップ式海底地震計の完成
6:思わざる敵
7:現代の海底地震計
8:海底地震計の中身
9:番外編。旧ソ連の海底地震計


 7:現代の海底地震計

 私たちがいま使っている海底地震計は写真のようなものです。

 この海底地震計は、どんな仕組みになっているのか、左の図に描いてあります。

 ずいぶん、小さいものですって?

 ええ、この小ささこそが、私たちの海底地震計が成功した秘密なのです。

 このように海底地震計を小さく作ってあるので、立派な観測船を使わなくても、小さな漁船を借りても、またヘリコプターを使っても、実験をすることができるのです。

 1983年に日本海中部地震が起きたときには、ヘリコプターを借りて、5台の海底地震計を秋田沖の日本海の海底に設置しました。余震観測のためでした。

 右の写真は、そのときのものです。19人乗りの民間のヘリコプターを借りました。ヘリコプターは埼玉県川越にあるヘリポートから秋田まで往復しました。

 海底地震計を海底に置くときに必要な仕事は、オモリを取り付けた海底地震計を、そっと海面に置くだけです。すると海底地震計は、静かに海底まで沈んでいくのです。これなら、小さな漁船でも、ヘリコプターでも可能です。

 観測が終わったあとに海底地震計をとりもどす仕事も、超音波を使って、海底地震計を海底から呼び上げます。そして、海面まで浮いて帰ってきた海底地震計を拾い上げればよいわけです。

 観測を終わったあと、海底にある海底地震計が浮いてくるためには、浮きが必要です。

 私たちの海底地震計は、「バケツ型」いらい、この浮きにガラスの球を使っています。

   このガラス球は、直径43センチのもので、水の中では、25キログラムのものを浮かせるだけの浮力をもっています。ガラスの厚さは1.5センチあります。

 このガラス球の中に、海底地震計の本体が入っています。世界一小さい海底地震計は、こうして可能になりました。つまりガラス球は耐圧容器兼浮きというわけです。

 ガラス球に入っている機械は、なるべく軽く、小さく作られています。それでも機械の重さは10キロほどになりました。でも、これらを球の中に入れても、まだ25引く10、つまり15キログラムの力で、海底地震計は浮いて来てくれるのです。

 このガラス球には、すさまじい水圧がかかります。

 世界の海の海の平均の深さは3700メートルもあります。私たちの海底地震計は世界のほとんどの海で観測できることをめざして設計しました。日本海溝でいちばん深い8000メートルでも観測できます。

 こんな深い海に行けば海底地震計を入れている入れ物にはたいへんな水圧がかかります。この水圧は、海が深いほど、強くかかります。

ちなみに、この海底地震計の一世代前は、左の図のようなものでした(『地球の腹と胸の内――地震研究の最前線と冒険譚』から)。

これは、上の図にあるトランスポンダーをまだ使っておらず、タイマーというものを使っていた時代の海底地震計の最終型です。

しかし、この形になったタイマー式海底地震計は、すでに内部は「進化」していて、中身はトランスポンダー式海底地震計同じでした。

 6000メートルの海底では、1センチ四方の大きさ、つまり爪の大きさくらいのところに600キログラムもの力で、ぎゅうぎゅう、水圧がガラス球を押してくるのです。

 名刺一枚の上に、満載のダンプカーが2台も載るほどの力です。ガラス球全体では、3000トン、何と国内線用のジャンボジェット機が11台も乗ったくらいの力がかかるのです。

 このガラスは強化ガラスといって、自動車や電車の窓ガラスに使っているものです。普通のガラスよりは強いのですが、それほど特別なものではありません。ガラスは、引っ張ったり、ねじったりすれば弱いものですが、私たちの使い方のように、ぎゅうぎゅう押されるときには、ずいぶん強いものなのです。

 そのうえガラスの球は、金属で球を作るよりも安くて、しかも金属のようには錆びないのです。

 ガラス球はまん中のところで二つに分かれるようになっています。海底地震計の本体を入れたあとで、二つを合わせて球にするのです。

   ところで、左の写真は、私たちの海底地震計の付属部品を入れるための耐圧容器が、設計のちょっとした間違いで、5500メートルの深さで、あえなくつぶれてしまったときのものです。これはチタンで作った、大変強い容器のはずでしたが、いかに、深海の水圧がすさまじいものか、わかるでしょう。


 8:海底地震計の中身

 これらの海底地震計のガラス球には、いろいろな部品が入っています。(左の図=『地球の腹と胸の内――地震研究の最前線と冒険譚』から)。

 海底地震計の基本的な構成は普通の地震計とちがいません。地面の動きを捉えて眼に見えるようにする。あるいはコンピューターで処理できるようなデータにするのが地震計の働きです。

 もちろん、陸上とちがう条件があります。ガラス球という小さな耐圧容器に入れるためには、全体に極端に小型化した高性能のものが求められるわけです。

 つまり、陸上にある地震観測所一ケ所ぶんが、そっくり耐圧容器に入っていなければならないのです。

 構成としてはまず地震計センサーがあります。地面の動きを電気信号に変えるものです。

 また、海底が傾いていたとしても、地震計のセンサーは正確な水平面の上に置かなければならないために、ジンバル機構というメカニズムが使われています。センサーを乗せたまま回転できる台で、海底地震計の全体がどう傾こうとも、いつも水平になるような仕掛です。

 センサーから出てくる電気信号はごく小さいものです。遠くに起きた小さい地震を記録しようとする時は、電気信号の大きさはマイクロボルト、つまり100万分の1ボルトの単位しかありません。

 そのため信号増幅器を通して信号の大きさを5万倍にも拡大します。増幅された電気信号を記録するために特殊な長時間テープレコーダーを開発しました。このテープレコーダーは音ではなく、地面の振動を電気信号として記録します。たいへんに遅い速さでテープが走る長時間カセットレコーダーです。

 このカセットレコーダーは私たちが特別に作ったもので、大変に遅い速さでテープが走ります。

左の写真が初代、右下の写真が二世代眼二代目の自作テープレコーダーです。両端に見える厚いゴムは、テープレコーダーを駆動するモーターやメカニズムからの振動や音が地震計センサーに伝わらないようにするためものです。

 このカセット式テープレコーダーを組み込んだ海底地震計の全景は、右の写真です。

 これは、ロープ係留式海底地震計と、初代ポップアップ式海底地震計に使われました。このため、円筒型の、高張アルミの耐圧容器に入れるようになっています。

 全体は、細い金属の棒で「串刺し」になっています。しかし、この「串刺し棒」は、じつは海底地震計の中身を耐圧容器に入れるときだけに使うもので、耐圧容器にいったん入れたあとは、棒だけ引き抜いてしまいます。

 それは、テープレコーダーのモーターやプーリーなどが出す振動が右端の地震計センサーに、ちょっとでも伝わらないための工夫でした。

 普通のカセットレコーダーではテープの速さは毎秒4.8センチメートルで走ります。ですから、45分とか、長くても60分で、カセットの片面が終わってしまいます。

これにくらべて、海底地震計のためのカセットテープレコーダーのテープの速さは毎秒0.1ミリ。こんなにテープの速さが遅いものですから、一本のカセットテープが走り終わるのに半月とか一カ月もかかります。

つまり、その期間に起きた事件をすべて一本のテープに記録できるわけです。

 そして、「海底地震計の前史」のところでお話ししたように、あるいは、上で「陸上にある地震観測所一ケ所ぶんが、そっくり耐圧容器に入って」とお話ししたように、私たちの海底地震計は、じつは海底だけではなくて、陸上でも威力を発揮するのです。

 それは、たとえば北海道の南西沖にある火山島、渡島大島(おしまおおしま) で、ごく小さな地震が起きているかどうか、を調査したときに、役に立ちました。

  昔は休火山といわれ、いまはときどき薄い噴気をあげている程度の渡島大島ですが、地下のマグマがどのくらい活動的なのかは、ごく小さな地震を調べるのが、いちばん確実で正確な方法なのです。このような小さな地震がもし起きていたとしても、それらは小さすぎて、北海道の陸上からは、とうてい、観測できません。

  1979年秋に、当時の函館海洋気象台の台長の安井正さんの発案で、渡島大島の総合調査が行われました。私たちの海底地震計も頼まれて、渡島大島の陸上に設置することになったのです。そのほか、火口の温度を測るなど、ほかの観測も行うことになっていました。

 渡島大島は、険しい絶壁に囲まれた島で、一般の人は立ち入ることが禁止されています。その山頂付近に、私たちの海底地震計をかつぎ上げて、一ヶ月ほどの連続観測をすることになりました。

このため、海底地震計の中身を、いつものような耐圧容器ではなくて、ずっと軽い、塩化ビニールの円筒型の容器を作って、それに入れて、山頂付近の何点かに置いて、観測をしたのです。

 この観測には、函館海洋気象台所属の観測船『高風丸』が使われ、台長の安井正さんも、荷物を背負って、山頂まで行ってくださいました。

 右の写真は頂上にある火口壁のいちばん上に置いた海底地震計です。すぐ左側の岩の上に置いてあるのが、地震計センサーです。ここでは、さすがに、ジンバル機構(下の説明を参照)は必要としないので、こうして、裸で、岩の上に置いたのです 。

 幸い、渡島大島の直下には、小さい地震は、ほとんど起きていませんでした。当分の間、渡島大島は、噴火することはないでしょう。

 ところで、無人島は、ウサギの天国になっていました。昔、北海道大学の動物学の先生が放したというウサギは、天敵が少ないために、いっぱい増えて、島中を走り回っていました。

  しかも、険しい山地に暮らしていたせいか、普通のウサギは丘の上に追い上げると動けなくなってしまうのですが、ここのウサギはそれとちがって、坂を下るのも、とても速く、「進化」していました。もちろん、島にいなかった動物を放すというのは、いまでいえば生態系の破壊でした。

 このほか水晶時計が必要でした。地震観測には正確な時計が不可欠です。一ヶ月で100分の1秒も狂わない精度が必要です。

 また、この水晶時計は、地震が起きたときの記録を取りだしたときに、それが何月何日の何時何分何秒だったか、という絶対時刻をテープレコーダーに記録するために、BCD符号化という電子回路を持っていました。

左は、第二世代の水晶時計、下は、第三世代の水晶時計です。小型にして、消費電力も減らしました 。

幸い、私たちには「秋葉原」がありました。世界でもっとも高度な半導体や集積回路(IC)を、ごく少量でも入手することができたのです。このため、この海底地震計の水晶時計も、写真(上や右下)のように、小さくて性能のいいものを作ることができました。

しかし、たとえば海底地震計の先進国のひとつであった旧ソ連には「秋葉原」がなかったのです。

このため、彼らが作ることができた海底地震計用の水晶時計(左の写真)は、驚くほど複雑な手作業で配線をした、いかにも手作りのものしかなかったのです。

(左の写真は1974年3月、旧ソ連・モスクワの科学アカデミー地球物理学研究所で撮影)。

これは集積回路がなく、単体の半導体を多数使って、その半導体のピン同士をワイヤーラッピングという、一本一本電線でつないでいく、気の遠くなるような作業が必要だったからです。

「ロケットや水爆はソ連では一流の科学、地球物理学は二流の科学だからね」、とソ連の科学者は、よく自嘲していました。

右の写真は、少し進歩した次世代の海底地震計用の水晶時計です。大分、小型化しました。赤く見えるのは、数字を表示する発光ダイオード(LED)です。

 また海底地震計全体を動かす電池も重要です。一、二カ月の観測の間に必要な電力をすべて電池でまかなわなければなりません。

 最後にプラスチックでできたヘルメットを、ガラスにかぶせます。保護のためです。

 海底地震計をこれほど小さく作るのは、大変なことでした。世界のいろいろな国で海底地震計を作ろうとした学者が、なかなかうま
く行かなかったのは、小さくて性能のいいものを作るのが難しかったせいでした。

 この海底地震計は、たいへん高い感度をもっています。もし陸上に置いたら、みなさんが百メートル先を歩いていても、地面が揺れるのを感じることができるのです。

 地震を感じるのは、地震計センサー(換震器=かんしんき)というものです。

 これは、左や下の写真のように、円筒型をしていて。その中にある永久磁石が作る磁界のなかを、地面がふれたときに一緒に動くコイルが動いて、そのときに微弱な電気信号を出す、という仕掛けです。

 写真左は二世代目の地震計センサー、下は三世代目の地震計センサーです。これらは、ともに上下動センサーと言われているもので、地面が上下に動くのを感じます(初代のセンサーはこちらの写真の右端に写っています)。

 このほかに、水平動センサーといって、地面が横に動くものを感じるセンサーも使います 。
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 ところで、海底地震計が海底に着いたときに、海底が理想的な水平であるとは限りません。傾いているかもしれないのです。このため、海底がある程度傾いていても、センサーがちゃんと働くように、「ジンバル機構」というものにセンサーを組み込んで、海底がたとえ傾いていても、センサーはいつも正しく上下を向くようになっています。

  この二つのジンバル機構付きのセンサーは、360°の回転が可能ですから、海底地震計がどんな姿勢で海底に着こうとも、ちゃんと正しく上下方向になって、地震を感じるようになっているのです。

 その後、ひとつのジンバル機構に、三成分の地震計センサーを組み込むことにしました。上下動のセンサー一台と、水平動のセンサー二台の合計三台です。水平動のセンサー二台は、互いに直交するようにセットされています。こうすると、地面がどの方向に動いたか、正確に記録できるのです。

 これらの海底地震計のセンサーの感度は、電車なら、何キロも先を走っていても地面の揺れを感じるほどです。

 でも、感度が高いおかげで、困ったこともあります。

 たとえば、6000メートルもの深い海の底に置いてあっても、上を船が通ると、向こうの水平線の彼方から現れて、こちらの水平線の彼方に消えるまで、ずっと船のスクリューの雑音を記録し続けてしまいます。わずかながら音が海底をゆすぶるのです。

 つまり、その間に地震があっても、記録できなくなってしまうのです。

 また、クジラの鳴く声や、魚が出す音も、海底をゆすぶって、みんな拾ってしまいます。

 それだけではありません。海底にはごく小さな動物がいます。一メートル四方に何匹もいるのは珍しくありません(F9:イラスト:海底地震計のジャマをするものは)。

 エサをさがすためか、あるいは好奇心を持っているのか、これらの小動物が海底地震計の近くに集まってきて、なかには、海底地震計によじ登ってみる動物もいるのです。

 いくら小さな動物でも感度の高い地震計のこと、これらの小動物の動きも記録してしまいます。これは、地震の観測にとっては、みんな、邪魔な雑音なのです。

 これがどんな動物なのか、私たちは知りません。そのうち、捕まえてみようと生物学者たちと話しているところです。生物学者にとっても、海底の小動物はぜひ捕まえて調べてみたい対象だと聞いています。

 鳥モチのようなものでくっつけて捕まえるか、それとも釣り針を付けておけばかかるかしら、と考えています。
 もっとも捕まえてから暴れまわられても、地震観測のためには困りますがね。


(「水圧」のイラストは、イラストレーターの奈和浩子さん『地震学がよくわかる---誰も知らない地球のドラマ』のために描いてくださったものです。その他のものは島村英紀による)

1 :なぜ海底地震計が必要?
2:手作りの海底地震計
3:完全ではなかったポップアップ式海底地震計
4:バケツ形の海底地震計
5:ポップアップ式海底地震計の完成
6:思わざる敵
7:現代の海底地震計
8:海底地震計の中身
9:番外編。旧ソ連の海底地震計

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